Особенности излучения газов

Излучение газообразных тел резко отличается от излучения твердых тел и имеет свои особенности.

Не все газы одинаково излучают и поглощают тепловую энергию. Одноатомные и двухатомные газы (гелий, водород, кислород, азот и другие) не излучают и не поглощают лучистую энергию и считаются прозрачными для тепловых лучей. Излучают и поглощают энергию только трехатомные и многоатомные газы. К таким газам относятся ССЬ и пары НгО, наиболее часто встречающиеся в теплоэнергетических установках, например, в уходящих газах, как правило, они присутствуют одновременно.

Рис. 2.47. Спектры излучения (а) и поглощения (б): 1 — абсолютно черного тела; 2 - серого тела; 3 - газа

Излучение твердых тел распределено хотя и неравномерно, но по всем длинам волн, т. е. имеет сплошной спектр. В отличие от этого газы излучают и поглощают лучи только в определенных для каждого газа интервалах длин волн, т. е. они обладают избирательной или селективной излучательно-поглощательной способностью и имеют спектр в виде полос (рис. 2.47). Это объясняется тем, что газы излучают и поглощают энергию свободными молекулами, а твердые тела -огромным числом связанных молекул. Уровни энергии электронов в свободных молекулах имеют вполне определенные для каждого вещества значения. Поэтому при переходе электронов с одного уровня на другой каждый элемент поглощает или излучает фотон определенной энергии (или длины волны).

Когда же несколько молекул образуют твердое тело, электроны каждой из них находятся под действием сил со стороны соседних атомов, а это приводит к тому, что некоторые энергетические уровни становятся размытыми и перекрывают друг друга.

Таким образом, в излучении и поглощении в этом случае участвуют электроны не каких-то определенных энергий, а всех возможных. Трехатомные и многоатомные газы обладают излучательно-поглощательной способностью определенном диапазоне длин волн. Например, основные продукты сгорания органического топлива СОг и НгО имеют в своем спектре три полосы в диапазоне волн Я = 2,24...30 мкм.

Если твердые тела, нагретые до высокой температуры, излучают и поглощают только с поверхности, то излучение газов носит объемный характер. Эта особенность серьезно затрудняет расчет теплообмена излучением и делает его весьма приближенным.

Так, для ориентировочного расчета излучения газов в пустоту можно использовать уравнение Стефана - Больцмана

Е_г =С₀е_г(Т_г /100)⁴ =С(Т_г /100)⁴, (2.175)

■у

где Е_г - плотность интегрального потока излучения газа, Вт/м; е_г - степень черноты газа; Т_г - температура газа, К; С - коэффициент излучения газа, Вт/(м1 • К⁴).

Но для газов коэффициенты черноты е_г (или А_г = е_г) зависят от температуры Т_г, парциального давления данного газа в смеси р_{ и пути пробега излучения /, который часто бывает равен толщине слоя газа д_г:

е_г=ЯТ_г,_Р;,1). (2.176)

Эта функция для различных газов имеет различный вид, но в любом случае, если ее ввести в уравнение (2.175), окажется, что Е_г будет пропорциональна уже не Т_г, а Т_г", где и<4. Например, для СОа и = 3₅5, а для Н2О и = 3.

Таким образом, поглощательная способность газа зависит от толщины и плотности газового слоя. Чем выше плотность излучающего компонента газовой смеси, определяемая парциальным давлением р_ь и чем больше толщина слоя /, тем больше молекул принимает участие в излучении и тем выше его излучательная способность и коэффициент поглощения. Поэтому коэффициент теплового излучения е газов обычно представляют в виде зависимости от произведения р1. Величина / здесь является одновременно и длиной пути луча, пронизывающего газовый объем. На рис. 2.48 приведены зависимости коэффициентов теплового излучения (степени черноты) диоксида углерода е_с0 и водяного пара е_но от

температуры при различных значениях р1. Для водяного пара в связи со способностью его молекул к ассоциации влияние р сильнее, чем /, поэтому значение е_{н 0}, найденное по

номограмме (см. рис. 2.48), следует умножить на поправочный коэффициент /? (рис. 2.49), зависящий от парциального давления р_{н 0}.

Диоксид углерода и водяной пар обычно содержатся в топочных газах (продуктах сгорания) одновременно. В этом случае коэффициент излучения газа

^Ег=^аС0₂+Р⁸Н₂0 (^2Л77)

Возможное присутствие в газе золы и сажи существенно увеличивает коэффициент излучения объема и должно учитываться отдельно.

Для определения коэффициентов теплового излучения компонентов газовой смеси по графикам (см. рис. 2.48) требуется знать толщину / излучающего слоя газового объема. Рекомендации к определению / можно найти в зависимости от конструктивных параметров теплообменной поверхности. Например, если лучевоспринимающими поверхностями являются стенки топочной камеры (камеры сгорания), то

1 = 3,6-У/Р_С, (2.178)

где V- объем камеры, м; Р_с - площадь поверхности стенок, ограничивающих объем камеры,

м².

Плотность потока излучения д_гс, Вт/м, от газа к окружающим его поверхностям

(2.179) (2.180)

Уг,с ^епр^<

теплообмена (стенкам) определяется по формуле

~(т Л {ж)

(т >

4"

Здесь

^еп_Р =е_г^ес^/[е_с +е_г(1-е_с)],

где е_пр - приведенная степень черноты; 8_С - степень черноты стенок топочной камеры.

0,004 0,003

8,

0 200 400 600 80010001200 1400 1

600 /,'С

0 200 400 600 800100012001400 1600/, ° С б

Рис. 2.48. Зависимость коэффициентов теплового излучения СОг (а) и НгО (б) от

температуры

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Рн₂0,^баР

Рис. 2.49. Зависимость поправочного коэффициента Р от парциального давления

В результате можно сделать вывод, что расчет лучистого теплообмена между стенками топочной камеры и уходящими газами является достаточно сложным и приближенным, т. к. выполняется с помощью целого ряда графиков или таблиц.

'.:

2.5.6. Основные термины

Лучистый теплообмен, тепловые лучи.

Интегральный лучистый поток.

Поверхностная плотность потока интегрального излучения. Интенсивность излучения.

Коэффициенты отражения, поглощения, проницаемости.

Абсолютно черное, абсолютно белое и абсолютно прозрачное тело.

Серое тело. Степень черноты. Экраны. Коэффициент облученности.

Дата добавления: 2014-01-04